拼寬T梁橋結構受力性能研究

楊林愷，曹智驊

（江西省公路科研設計院有限公司，江西 南昌 330002）

0 引言

隨著城市路網的逐步完善，路網增加量已趨于飽和，城市交通的發展階段已邁入存量階段。目前看來服役橋梁基本可以滿足現代的通行需求，但隨著城市化帶來的交通壓力增長日漸顯著，在滿足經濟性原則的基礎上充分利用既有橋梁結構的基礎進行加寬加固，減少不必要的經濟損失是十分關鍵的。加寬時新建橋梁上部結構與既有橋梁上部結構的連接是拼寬橋梁的研究熱點之一，目前國內外對拼寬既有橋梁的研究成果概述如下：許有勝[1]等人依托實際工程通過建立有限元拼寬模型，得出認為上部拼寬采用剛性連接的情況下，為保證不產生過大的應力，基礎沉降差應控制在5 mm以內。袁磊[2]等人采用有限元分析方法對上部結構采用剛性連接的連續剛構橋拓寬工程進行分析，得出結論拓寬工程采用剛性連接時對提高舊橋結構的承載能力與正常使用能力有益，推薦采用剛性連接作為拓寬橋梁的主要連接方式。溫慶杰[3]等人采用錯位法對拼寬空心板橋梁收縮徐變效應進行研究，結果表明收縮徐變對舊橋影響以縱向受壓為主，而對新橋則會產生較大的拉應力，此受力狀態對舊橋受力狀態有利，新橋不利。Harik,I.E[4]等人結合布倫特-斯賓塞橋的實測動力數據，分析了拼寬后橋梁結構動力特性，根據采集到的數據對有限元模型進行修正，為后續拼寬結構研究打下鋪墊。Bendat J S[5]等人基于功率譜密度的峰值法對拼寬橋梁采集到的動力數據進行甄別，剔除了由于環境振動采集到的“白噪聲”，從動力學的角度建立拼寬橋梁有限元模型并進行了動力分析。由此可見，國內外學者對拼寬橋梁研究范圍較廣，但對于拼寬橋梁上部結構的受力特性分布還有一定的空白。

1 拼寬橋梁設計原則

舊橋的拼寬應盡量考慮設計到施工的每個環節，盡可能地節約資金成本來降低工程造價。依據拼寬橋梁上下部結構的連接形式可分為上下部結構均不連接，上下部結構均連接，上部結構連接下部結構不連接三種形式，其中由于新舊橋沉降差異問題上下部結構均連接設計原則通常不采用，而對于上下部結構均不連接方式的缺點在于新舊橋梁上部結構銜接處有明顯的變形不協調，易造成連接處的橋面鋪裝破損，故也較少采用。實際工程常采用上部結構連接下部結構不連接形式。

1.1 新舊橋梁柔性連接

新舊橋梁柔性連接是指新舊橋翼緣板僅有部分鋼筋綁扎，且采用鋼纖維混凝土澆筑銜接處，銜接處上部結構采用柔性材料進行填充，銜接處下部切口塞入木條。其力學連接本質在于連接處等同鉸接，受施工因素影響較大，且力學特性的體現與橋面鋪裝層的剛度直接相關，若采用剛性路面結構可能會改變連接鉸縫的受力機理，導致路面結構發生破壞。

圖1 拼寬鉸接柔性連接示意圖

1.2 新舊橋梁剛性連接

新舊橋梁連接處采用剛性連接，工程上常用處理方式是將翼緣板鑿除一定長度，通過現澆方式在新舊上部結構連接處設置多道橫隔板來保證受力一致。通過加設橫隔板可以顯著提高新舊橋梁橫向連接剛度，有時會根據結構受力要求去判斷是否設置橫向預應力鋼束。

圖2 拼寬橋梁剛性連接示意圖

2 拼寬橋梁橫向受力影響因素

現階段對拼寬T梁橋既有工程來說通常采用上部結構連接，下部結構不連接的拼寬設計原則，且從施工便利性和后期養護成本出發，剛性連接較柔性連接有顯著的優勢，接縫處常采用剛性連接作為拼寬T梁橋的連接方式。

2.1 沉降差橫向受力影響

由于新舊橋梁的竣工時間存在差異，基礎的沉降差會導致接縫處應力水平增加，過大的沉降差甚至會導致橋梁橫向連接直接失效，從而導致加固方案失敗，影響后續行車安全，固為確保銜接部位的正常工作，研究基礎沉降差是必不可少的一件工作[6]。新橋基礎沉降會導致新橋和舊橋銜接處的混凝土產生過大的橫向拉應力，這種拉應力超過混凝土材料自身的拉應力限值就會產生順橋向裂縫。上部結構的剛性連接，會在拼寬處產生較大的橫向彎矩，也會在連接處產生較大的剪力。在進行有限元分析時默認舊橋基礎固結沉降已經完成，不再發生后續沉降，相對沉降差按新建橋梁的絕對沉降值來考慮。橋梁剛性顯著高于土體，為簡化分析，拼寬工程的新建橋梁沉降按線形沉降來進行考慮。

圖3 拼寬橋梁線形沉降示意圖

2.2 收縮徐變對拼寬橋梁橫向受力影響

收縮徐變對拼寬橋梁橫向受力的影響主要指在新橋發生收縮徐變時對新舊橋梁銜接處應力水平的影響。通常認為進行拼寬設計的舊橋上部結構收縮徐變已充分完成，而新建拼寬橋的混凝土收縮徐變才剛剛開始，受到既有橋梁結構內部邊界條件的約束作用，新舊橋存在收縮徐變時間應力差，新橋部分主梁的收縮將會引起舊橋的彎曲變形，同時新的主梁收縮應力也對舊橋產生影響，會引起整體橋梁結構的應力重分布，如果產生的拉應力超過混凝土的抗拉強度極限值會使主梁橫向發生開裂現象，降低橋梁結構的安全可靠性，故分析新舊橋梁收縮徐變對拼寬橫向連接處的影響同樣是必要的[7]。

3 模型驗證

基于某路網橋梁作為工程背景，上部結構采用25 m預應力混凝土簡支T梁，僅橋面連續，原橋梁結構橫向由4片T梁組成，現今根據交通發展需求，要求單側加寬一片T梁。橋梁加寬原則采用上部連接下部分離的形式，為保證景觀協調采用相同截面類型、相同跨徑來進行加寬。采用ANSYS有限元分析軟件建立上部結構拼寬模型，按照實體節點耦合模擬現澆橫隔板，新建橋梁混凝土等級采用比原橋梁結構高一級的C50混凝土。

圖4 有限元結構模型

在有限元模型中假設單片主梁的抗彎慣性矩為I，在4號主梁跨中截面處施加豎向單位集中荷載F，提取跨中截面的位移曲線得到跨中截面節點位移分布，將其簡單處理即可得到拓寬前后的荷載橫向分布曲線如圖5所示。

圖5 拓寬前后4號主梁的荷載橫向分布曲線

根據4號主梁的橫向分布曲線可以看出，采用剛性連接形式進行拼寬的橋梁結構，加固后的橫向分布系數較拼寬之前舊橋結構橫向分布系數有所降低，說明了新建拼寬結構承擔一部分舊橋結構的受力工作，同時橋梁截面的整體抗彎剛度與抗扭剛度的增大提高了舊橋結構的承載能力，橫向分布系數在新舊結構銜接連接位置發生突變。對5號主梁支座邊界面處施加強制豎向位移2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm來模擬基礎發生的不均勻沉降，順橋向結果與橫橋向計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 拼寬接縫處4號主梁剪力值縱橋向分布

圖7 支點位置接縫處剪力橫向分布

可以看出沉降差對主梁近支點截面剪力影響較大，支點的剪力可以直接反映出支座的反力變化趨勢，從結果來看差集和橫向分布曲線近似認為是非線性關系，通過新舊橋接縫采用的C50混凝土抗剪強度設計值，反算得到5號主梁沉降超過7 mm會對結構的安全性產生影響，即加寬工程的相對沉降差不應超過7 mm。在軟件中通過施加溫度差荷載來間接模擬混凝土結構的收縮徐變時間差的影響，由圖8可以看出在拼寬初期剪力水平較高，隨著時間增長拼寬處剪力水平不斷降低，可近似認為新建拼寬主梁6個月后收縮徐變開始趨于穩定，后續剪力水平的變化幅度不大。

圖8 收縮徐變影響隨時間變化趨勢

4 結論

本文首先介紹了拼寬橋梁的設計原則以及影響拼寬橋梁受力特性的外部荷載因素，采用有限元模型對拼寬T梁橋在沉降差以及收縮徐變差影響下的受力進行分析，分析結果表明橋梁進行拼寬處理后，主梁的橫向分布系數有所降低，越靠近拼寬接縫處主梁橫向分布系數下降幅度越大，即靠近拼寬處的主梁承載能力提升明顯。隨著相對沉降差的增加，各主梁的附加應力均增大，且由于剛度原因支點位置處的內力變化幅度顯著大于跨中位置處。分析收縮徐變對拼寬橋梁內力隨時間的影響趨勢可以看出，內力變化在最初的半年內變化較大，半年之后下降幅度明顯減少，一年之后趨于穩定，可以認為收縮徐變在一年之后對拼寬T梁橋的橫向受力影響可忽略不計。根據模型分析結果建議在后續拼寬橋梁工程實踐中，建議支點處采取增加橫隔板的方式提高拼寬橋梁橫向連接剛度，且新橋施工后對新橋基礎采取預壓的方式，使其盡早完成沉降固結，并加強基礎的沉降監測工作，減少沉降差對拼寬主梁受力的影響。連接接縫位置混凝土可采用抗拉能力較強的鋼纖維混凝土，以此增加抗拉強度，為橋梁后續的服役安全提供保障。